天然氣輸氣管道及場站放空系統(tǒng)設(shè)計

中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司 劉 曦 劉世杰

放空系統(tǒng)是天然氣輸配系統(tǒng)的重要安全設(shè)施。在天然氣輸配系統(tǒng)運(yùn)行中，放空的方式分為檢修放空和緊急放空兩種。檢修放空主要是在管道、設(shè)備維修時進(jìn)行，如更換調(diào)壓器、更換流量計等。緊急放空主要是在輸氣系統(tǒng)發(fā)生事故而進(jìn)行搶修時進(jìn)行，同時利用緊急切斷閥切斷，以減少天然氣的泄漏量及減輕事故的危險性。

1 國內(nèi)外天然氣放空技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外天然氣放空技術(shù)現(xiàn)狀

關(guān)于天然氣放空方式在西方主要國家并沒有強(qiáng)制的法律規(guī)定。多數(shù)企業(yè)采用立管放空方式，部分放空量較大的輸氣場站可按照功能區(qū)分別進(jìn)行放空，放空立管高度通常不低于3 m。國外閥室放空系統(tǒng)則更為簡單，多數(shù)不單獨(dú)設(shè)置放空總管，僅設(shè)置放空閥和放空短管，垂直于地面安裝，且短管口加蓋盲板，立管口距離地面高度一般小于3 m，且不單獨(dú)設(shè)置放空安全區(qū)。另外，為了減少溫室效應(yīng)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果，部分企業(yè)采用移動壓縮機(jī)作為輔助放空設(shè)施，通過移動式壓縮機(jī)將要放空的天然氣抽出并注入相鄰管段，剩余無法抽出的天然氣才通過閥室的放空立管直接放空。

國外的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，均以美國行業(yè)規(guī)范ASME B31.8《輸氣和配氣管線系統(tǒng)》(以下簡稱美國行業(yè)規(guī)范)作為參考，以此進(jìn)行相應(yīng)規(guī)范的修正和改進(jìn)。根據(jù)美國行業(yè)規(guī)范中第845.1條規(guī)定，凡干線、總管、配氣系統(tǒng)、用戶氣量表和相接設(shè)施、壓縮機(jī)站、管式氣柜、用管子和管件制成的容器以及所有專用設(shè)備，若所接的壓縮機(jī)或氣源，由于其壓力控制失靈或其他原因，可能造成上述設(shè)施中的壓力超過其最大允許操作壓力，應(yīng)裝設(shè)適當(dāng)?shù)男箟夯蛳迚貉b置；美國行業(yè)規(guī)范第 846.21條(C)款規(guī)定輸氣管道上應(yīng)安裝排放閥，以便位于主閥門之間的每段管線均能放空，而為了管線放空而配置的連接管應(yīng)能保證在緊急情況下使管段盡快放空。該規(guī)范還提到了在輸氣站內(nèi)，考慮到防火安全和環(huán)境保護(hù)，對泄放氣體不建議進(jìn)行就地排放，應(yīng)引入相同壓力級制的放空管道并送至輸氣站以外的放空豎管進(jìn)行放空。根據(jù)美國行業(yè)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定可以看出對于天然氣管道和輸氣場站放空系統(tǒng)的設(shè)置僅給出了原則性規(guī)定，并未說明具體的設(shè)置方法。

1.2 國內(nèi)天然氣放空技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)天然氣輸配系統(tǒng)中的放空系統(tǒng)主要由放空閥和放空豎管組成。其作用是在特殊情況如場站發(fā)生進(jìn)出站壓力過高的意外時，需要通過放空系統(tǒng)迅速排放相關(guān)管路設(shè)備中的天然氣。對于線路閥室放空，其作用也是當(dāng)兩閥室間管道檢修或發(fā)生意外時通過放空系統(tǒng)迅速排放相關(guān)管路設(shè)備中的天然氣。

國內(nèi)對于放空系統(tǒng)的研究起步較晚，目前我國對于天然氣輸配系統(tǒng)的放空設(shè)計規(guī)范并未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而參考國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較多。研究天然氣放空系統(tǒng)時，涉及到的主要規(guī)范有 GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》，其中相關(guān)規(guī)定如下：

1.2.1 GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》

該規(guī)范中第 3.4.2條：輸氣管道相鄰線路截斷閥(室)之間的管道上應(yīng)設(shè)置放空閥，并結(jié)合建設(shè)環(huán)境可設(shè)置放空立管或預(yù)留引接放空管線的法蘭接口。放空閥直徑與放空管直徑相等；第3.4.7—1條：輸氣站應(yīng)設(shè)置放空立管，需要時還可設(shè)放散管；第3.4.7—3條：當(dāng)輸氣站設(shè)置緊急放空系統(tǒng)時，設(shè)計滿足 15 min內(nèi)設(shè)備及管道內(nèi)壓力從最初的壓力降到設(shè)計壓力的50%；第3.4.7—6條：放空立管和放散管防火設(shè)計應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。

1.2.2 GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》

該規(guī)范中第 4.0.8條：火炬和放空管宜位于石油天然氣站場生產(chǎn)區(qū)最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)，且宜布置在站場外地勢較高處?；鹁婧头趴展芘c石油天然氣站場的間距：火炬由本規(guī)范第 5.2.1條確定；放空管放空量等于或小于1.2×104m3/h時，不應(yīng)小于 10 m；放空量大于 1.2×104m3/h且等于或小于4×104m3/h時，不應(yīng)小于40 m。

該規(guī)范中第6.8.8-4條：連續(xù)排放的可燃?xì)怏w排氣筒頂或放空管口，應(yīng)高出20 m范圍內(nèi)的平臺或建筑物頂2.0 m以上。對位于20 m以外的平臺或建筑物頂，應(yīng)滿足 6.8.8條的要求，并應(yīng)高出所在地面5 m。

2 輸氣系統(tǒng)放空方式

按照放空位置，輸氣系統(tǒng)放空方式可分為閥室放空和場站放空。閥室放空系統(tǒng)承擔(dān)用于閥室相鄰管段放空作業(yè)，場站放空系統(tǒng)主要用于站內(nèi)設(shè)備及相鄰管段的放空作業(yè)。

2.1 閥室放空系統(tǒng)

2.1.1 閥室放空系統(tǒng)工況分析

閥室放空系統(tǒng)工況可以分為計劃性放空和非計劃放空兩種工況。計劃性放空工況是管道進(jìn)行維修、改造等作業(yè)時進(jìn)行的放空，是閥室放空系統(tǒng)的主要工況；非計劃放空工況是輸氣管線出現(xiàn)泄漏、破管時的緊急放空，該工況出現(xiàn)頻率較低，瞬時放空流量較大。

2.1.2 閥室放空系統(tǒng)工藝設(shè)計

目前國內(nèi)大多數(shù)閥室工藝流程為在主閥兩側(cè)分別設(shè)置放空管。放空管用異徑三通連接在主干管主閥兩側(cè)，并串聯(lián)安裝兩個常閉放空閥；放空閥一般采用球閥和截止閥復(fù)式安裝方式以防內(nèi)漏；主閥兩側(cè)的放空管在放空閥后合并成1根管道，引至閥室外放空總管。閥室工藝流程，如圖1所示。

圖1 閥室工藝流程

目前閥室放空立管安全間距無規(guī)范可循，防火間距可以參照GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》中的五級場站考慮。目前，中石油大多數(shù)場站的放空豎管距其場站的安全間距在 40 m以上，其高度多為20 m。

2.1.3 閥室放空量計算

當(dāng)天然氣管道需要進(jìn)行放空時，首先關(guān)閉管段兩端截斷閥，再將管段內(nèi)天然氣由放空管排出，此時可將管道內(nèi)的天然氣看作一個獨(dú)立的高壓氣瓶進(jìn)行研究。這時放空量的計算較為簡單，可按式(1)進(jìn)行：

式中：Q——管段總放空量，m3；

Q1——放空前管道天然氣容量，m3；

Q2——放空后管道剩余天然氣容量，m3；

D——管道內(nèi)徑，m；

L——管段長度，m；

p1——放空開始時刻壓力，MPa；

p2——放空結(jié)束時刻壓力，MPa(一般為0.1MPa)；

p0——標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力，MPa；

T0——標(biāo)況下溫度，K；

T——天然氣放空初始溫度，K；

Z——壓縮因子。

2.2 場站放空系統(tǒng)

2.2.1 場站放空系統(tǒng)工況分析

場站放空系統(tǒng)工況可以分為站內(nèi)計劃放空工況、安全閥排放工況和站內(nèi)緊急放空工況。

(1) 站內(nèi)計劃放空工況。站內(nèi)計劃放空工況是指站內(nèi)設(shè)備管道維修、改造時的局部放空，放空流量可以手動控制。此工況下放空流量較小，對放空管網(wǎng)和和排放設(shè)備的影響不大。

(2) 安全閥排放工況。安全閥排放工況是指站場設(shè)備或管道內(nèi)工藝氣體因超壓而引起的安全閥泄壓排放。

(3) 站內(nèi)緊急放空工況。站內(nèi)緊急放空工況是指站場發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏、火災(zāi)或其他緊急事故時觸發(fā)緊急停車(ESD)而引起的放空。根據(jù)站場 ESD分級，一般可分為設(shè)備級、工藝裝置區(qū)域級、以及全站級的緊急放空。站內(nèi)緊急放空屬于不可控放空，具有放空持續(xù)時間短、放空流量大的特點(diǎn)。

2.2.2 場站放空量計算

輸氣場站的天然氣放空量計算相比管段放空更為復(fù)雜，主要是隨著場站放空原因和放空區(qū)域不同，放空量和放空時間的要求也不盡相同，其中場站放空最為苛刻的條件為站內(nèi)緊急放空工況，故場站放空量應(yīng)按照緊急放空工況來計算。

場站放空量計算與管段放空量計算有些類似，其主要不同在于場站內(nèi)設(shè)備和管段的物理容積計算更為繁瑣。

場站放空量可按照式(2)進(jìn)行計算：

式中：Vi——場站設(shè)備和管路的容積總和，m3。

2.3 閥室、場站放空速率的計算

閥室、場站放空速率可按照下式(3)進(jìn)行計算。

式中：W——排放氣體的質(zhì)量流量，kg/s；

Q ——管段總放空量，m3；

t——放空時間，s；

ρ——天然氣氣體密度，kg/m3。

目前，輸氣管道泄漏事故或維修一般要求在10～12 h內(nèi)完成線路放空。而場站放空速率應(yīng)按照緊急放空條件，要求在15 min將全站的壓力通過放空降低到設(shè)計壓力的50%來計算。輸氣站場的放空總流量應(yīng)該按照可能發(fā)生的工況中最大流量考慮，不應(yīng)按照各種工況的泄放流量直接疊加計算。

2.4 放空管徑計算

放空管管徑可按照下式(4)進(jìn)行計算。

式中：d——放空總管直徑，m；

Ma——馬赫數(shù)，取0.5；

p——?dú)怏w出口壓力，kPa；

K——排放氣體絕熱系數(shù)；

M——排放氣體物質(zhì)的量，kg/mol。

3 結(jié)語

一直以來，放空系統(tǒng)在輸氣管道及場站中具有重要作用，在管道或站場維修以及發(fā)生安全事故時，都可能要進(jìn)行天然氣放空作業(yè)，合理設(shè)計放空系統(tǒng)能夠保證輸氣管道及場站的安全運(yùn)行。筆者通過查閱國內(nèi)外放空天然氣的相關(guān)文獻(xiàn)、規(guī)范并結(jié)合工程實(shí)際情況，總結(jié)了天然氣放空系統(tǒng)的設(shè)置原則、放空流程、放空方式以及放空系統(tǒng)計算的方法，為相關(guān)設(shè)計人員提供參考。